In 1674 bezocht Van Leeuwenhoek het Berkelse Meer, nam een monster van het ongewoon troebele water en onderzocht het onder zijn microscoop. De kleine diertjes die hij zag brachten een schok in de wetenschap teweeg.
Tot dat moment wist niemand dat er een hele wereld van onzichtbare dieren (en planten) bestond. Eerst werd hij niet geloofd en op zijn verzoek schreef de dominee een brief waarin hij verklaarde dat hij ze ook had gezien. De eerste micro-organismen die hij zag, waren de relatief grote protozoa en algen (figuur 1). Deze 7 september, de dag dat Antoni zijn microscopische wezens; de 'Kleine diertgens' voor het eerst waarnam en publiceerde in 1674, wordt tevens beschouwd als het begin van de nieuwe wetenschap: microbiologie.
Toen hij twee jaar later een keer peperkorrels weekte om ze te kunnen snijden, merkte hij dat het water troebel werd. Hij onder- zocht het water en vond opnieuw kleine diertjes, waaronder dit keer ook extreem kleine (figuur 1B, 2). Dit was de ontdekking van de bacteriën.
Van Leeuwenhoeks ontdekkingen bleven niet beperkt tot micro- organismen. Hij paste bijvoorbeeld zijn microscoop (figuur 3) zodanig aan dat hij de bloedcirculatie in de staart van palingen en kleine vissen kon laten zien en hij leverde aanwijzing dat de theorie van de spontane generatie onjuist was. Verder toonde hij aan dat sperma een rol speelt in de voortplanting en onderzocht hij de cellen in dierlijk en plantaardig weefsel. Het is frappant dat hij al deze ontdekkingen deed met heel eenvoudige microscopen, in een tijd dat andere onderzoekers hun microscopen juist complexer en uitgebreider maakten.